JP5296077B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は撮像装置の固体撮像素子構造に関する。

近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（以下、「撮像素子」と称する場合がある。）を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。特に半導体製造技術の進歩により、固体撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、固体撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られてきた。このため、僅かの年数で撮像素子の画素数が１００万画素程度から１０００万画素以上へと著しく増加した。その一方で、撮像素子の多画素化に伴い、１画素の受ける光の量（光量）が減少するため、撮像装置の感度が低下するという問題が起きている。

さらに通常のカラーカメラでは、撮像素子の各光感知部上に有機顔料を色素とする減色型の有機色素フィルタ（色フィルタ）が配置されるため、光利用率はかなり低い。例えば、赤（Ｒ）１画素、緑（Ｇ）２画素、青（Ｂ）１画素を基本構成としたベイヤー型の色フィルタでは、ＲフィルタはＲ光を透過させ、Ｇ光、Ｂ光を吸収する。ＧフィルタはＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を吸収する。ＢフィルタはＢ光を透過させ、Ｒ光、Ｇ光を吸収する。すなわち、各色フィルタを透過する光はＲＧＢ３色の内の１色であり、その他の２色は色フィルタに吸収される。そのため、利用される光は色フィルタに入射する可視光の約１／３である。

感度低下の問題を解決するため、撮像素子の受光部にマイクロレンズアレイを取り付け、受光量を増やす手法が特許文献１に開示されている。この手法によれば、マイクロレンズで集光することによって、実質的に光開口率を向上させることができる。この手法は、現在殆どの固体撮像素子に用いられている。この手法を用いると、実質的な開口率は向上するが、色フィルタによる光利用率低下の問題を解決するものではない。

光利用率低下と感度低下の問題を同時に解決する手法として、ダイクロイックミラーとマイクロレンズとを組み合わせて、光を最大限取り込む構造を有する固体撮像装置が特許文献２に開示されている。この装置は、光を吸収せず特定波長域の光を選択的に透過させ他の波長域の光を反射する複数のダイクロイックミラーを備えている。各ダイクロイックミラーは、必要な光のみを選択し、対応する光感知部に入射させ、その他の光は透過させる。図１３に特許文献２に開示された撮像素子の断面図を示す。

図示される撮像素子によれば、集光マイクロレンズ１１に入射した光は、インナーレンズ１２によって光束を調整された後、第１ダイクロイックミラー１３に入射する。第１ダイクロイックミラー１３は、赤（Ｒ）の光を透過させるが、その他の色の光は反射する。第１ダイクロイックミラー１３を透過した光は、直下の光感知部２３に入射する。第１ダイクロイックミラー１３で反射された光は、隣接する第２ダイクロイックミラー１４に入射する。第２ダイクロイックミラー１４は、緑（Ｇ）の光を反射し、青（Ｂ）の光を透過する。第２ダイクロイックミラー１４で反射された緑の光は、その直下の光感知部２４に入射する。第２ダイクロイックミラー１４を透過した青の光は、第３ダイクロイックミラー１５で反射され、その直下の光感知部２５に入射する。この撮像素子によれば、集光マイクロレンズ１１に入射した可視光は損失することなく、そのＲＧＢの各成分が３つの光感知部によって無駄なく検出される。

また、マイクロプリズムを用いた手法が特許文献３に開示されている。この手法では、図１４に示すようにマイクロプリズム１６により赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）各成分に分けられた光をそれぞれに対応する光感知部２３、２４、２５が受光する。このような手法を用いても、光損失なくＲ、Ｇ、Ｂ各成分を検出することができる。

しかしながら、特許文献２および特許文献３に開示された手法では、分光する色成分の数だけ光感知部を設ける必要がある。例えば赤、緑、青に分離された各々の光を受光するには、光感知部の数を従来の色フィルタを用いた場合に必要な光感知部の数と比較して３倍に増やさなければならない。

以上の技術に対し、光の損失は一部発生するが、ダイクロイックミラーと反射とを用いて光の利用率を高める技術が特許文献４に開示されている。図１５は当該技術を用いた撮像素子の断面図の一部を示している。図示されるように、透光性の樹脂３１内にダイクロイックミラー３２、３３が配置される。ダイクロイックミラー３２はＧ光を透過させ、Ｒ光、Ｂ光を反射する。また、ダイクロイックミラー３３はＲ光を透過させ、Ｇ光、Ｂ光を反射する。

このような構成によれば、Ｂ光は光感知部で受光できないが、Ｒ光、Ｇ光は以下の原理で損失なく検出できる。まずＲ光がダイクロイックミラー３２、３３に入射すると、ダイクロイックミラー３２では反射し、さらに透光性の樹脂３１と空気との界面で全反射し、ダイクロイックミラー３３に入射する。ダイクロイックミラー３３に入射した全てのＲ光は、Ｒ光透過性を有する有機色素フィルタ３５およびマイクロレンズ３６を透過する。光の一部は金属層３７で反射するものの、殆ど全てのＲ光が光感知部に入射する。また、Ｇ光がダイクロイックミラー３２、３３に入射すると、ダイクロイックミラー３３では反射し、さらに透光性の樹脂３１と空気との界面で全反射し、ダイクロイックミラー３２に入射する。ダイクロイックミラー３２に入射した全てのＧ光は、Ｇ光透過性を有する有機色素フィルタ３４およびマイクロレンズ３６を通して、殆ど損失なく光感知部に入射する。

上記の原理により、特許文献５に開示された技術では、Ｒ、Ｇ、Ｂ各成分のうち１色の成分は損失するものの２色の光は殆ど損失なく受光される。このため、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色分の光感知部を配置する必要がない。この技術によれば光利用率は、有機色素フィルタのみで構成された撮像素子における光利用率と比較して２倍に向上する。しかしながら、この技術では３色のうち１色が損失するため、光利用率を１００％にはできない。

特開昭５９−９０４６７号公報 特開２０００−１５１９３３号公報 特表２００２−５０２１２０号公報 特開２００３−７８９１７号公報

従来技術では、光吸収タイプの色フィルタを用いれば、大幅に光感知部を増やさずに済むが、光利用率が低い。また、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを用いれば、光利用率は高いが、光感知部の数を大幅に増やさなければならない。さらに、ダイクロイックミラーと反射とを利用する特許文献５で開示された技術では、３色のうち１色の光損失が発生する。

本発明は分光を利用し、光感知部を大幅に増やすことなく、光利用率を高くでき、かつ、分光が不十分であっても色情報を得ることができるカラー撮像技術を提供することを目的とする。

本発明による撮像装置は、２次元状に配列された複数の画素と、各画素に入射する光のうち少なくとも１つの色成分の光を分光して前記複数の画素に含まれる２つの画素の差信号が各画素に入射する光に含まれる前記色成分の光の量に比例するように前記色成分の光を分光する分光要素アレイと、各画素に入射する光に含まれる前記色成分の光の量に対する前記差信号の割合と前記差信号に基づいて前記色成分の光の量に応じた色信号を生成する信号処理部とを備えている。

本発明による他の撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、前記固体撮像素子から出力される電気信号を処理する信号処理部とを備えている。前記固体撮像素子は、複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと複数の分光要素を含む分光要素アレイとを有している。前記光感知セルアレイおよび前記分光要素アレイは、複数の単位要素から構成され、前記複数の単位要素の各々は、第１の光感知セルと、第２の光感知セルと、前記第１の光感知セルに対向して配置された第１の分光要素とを有している。前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に前記複数の光感知セルの各々に入射する光を各光感知セルのセル入射光とするとき、前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第１の色成分に相当する第１波長域の光の量に対して第１の割合に相当する量の前記第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、第２の割合に相当する量の前記第１波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させるように構成されている。前記第１の光感知セルは、受けた光の量に応じた第１の光電変換信号を出力し、前記第２の光感知セルは、受けた光の量に応じた第２の光電変換信号を出力する。前記信号処理部は、前記第１の割合および前記第２の割合に基づいて、前記第１の光電変換信号と前記第２の光電変換信号との差分演算を含む処理により、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光の量に対応する色信号を出力する。

前記信号処理部は、メモリを有し、前記メモリに、前記第１の割合および前記第２の割合を示す情報が格納されていてもよい。

前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光線の一部を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光線の他の少なくとも一部を前記第１の光感知セルに入射させるように構成されていてもよい。

前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光線のうち、前記第２の光感知セルに入射させる光線を除く前記第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させるように構成されていてもよい。

前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる光線のうち、前記第２の光感知セルに入射させる光線を除く光線を前記第１の光感知セルに入射させるように構成されていてもよい。

本発明のある実施形態において、前記複数の単位要素の各々は、第３の光感知セルと、第４の光感知セルと、前記第３の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素とを有し、前記分光要素アレイは、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる第２の色成分に相当する第２波長域の光の量に対して第３の割合に相当する量の前記第２波長域の光線を前記第３の光感知セルに入射させ、第４の割合に相当する量の前記第２波長域の光線が前記第４の光感知セルに入射させるように構成され、前記第３の光感知セルは、受けた光の量に応じた第３の光電変換信号を出力し、前記第４の光感知セルは、受けた光の量に応じた第４の光電変換信号を出力し、前記信号処理部は、前記第３の割合および前記第４の割合に基づいて、前記第３の光電変換信号と前記第４の光電変換信号との差分演算を含む処理により、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の量に対応する色信号を出力する。

本発明のある実施形態において、前記複数の単位要素の各々は、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素を有し、前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第２の色成分に相当する第２波長域の光線の一部を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の残りと、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第３の色成分に相当する第３波長域の光線とを前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の一部を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの光線を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の分光要素が前記第２の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量は前記第２の分光要素が前記第１の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量に等しい。

本発明のある実施形態において、前記複数の単位要素の各々は、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素を有し、前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第２の色成分に相当する第２波長域の光線の一部を、隣接する第１の隣接単位要素に含まれる第３の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の残りと、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第３の色成分に相当する第３波長域の光線とを前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の一部を前記第１の光感知セルおよび隣接する第２の隣接単位要素に含まれる第４の光感知セルにそれぞれ等量ずつ入射させ、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの光線を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の分光要素が前記第３の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量は、前記第２の分光要素が前記第１の光感知セルおよび前記第４の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量の合計に等しい。

本発明のある実施形態において、前記複数の単位要素の各々は、第３の光感知セルと、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素と、前記第３の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素と、前記第１の光感知セルに対向して配置された第４の分光要素とを有し、前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第３の色成分に相当する第３波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第４の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第２の色成分に相当する第２波長域の光線の一部を前記第３の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの前記第２波長域の光線と、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第３波長域の光線とを前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の一部を前記第３の光感知セルに入射させ、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの光線を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第３の分光要素は、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光線の一部を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの光線を前記第３の光感知セルに入射させ、前記第１の分光要素が前記第２の光感知セルに入射させる前記第１波長域の光の量は、前記第３の分光要素が前記第２の光感知セルに入射させる前記第１波長域の光の量に等しく、前記第１の分光要素が前記第３の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量は、前記第２の分光要素が前記第３の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量に等しく、前記第３の光感知セルは、受けた光の量に応じた第３の光電変換信号を出力し、前記信号処理部は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の量に対する前記第３の光感知セルが受ける前記第２波長域の光の量の割合に基づいて、前記第１の光電変換信号と前記第３の光電変換信号との差分演算を含む処理によって、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の量に対応する色信号を出力する。

本発明による固体撮像素子は、複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと、複数の分光要素を含む分光要素アレイとを備えている。前記光感知セルアレイおよび前記分光要素アレイは、複数の単位要素から構成されている。前記複数の単位要素の各々は、第１の光感知セルと、第２の光感知セルと、前記第１の光感知セルに対向して配置された分光要素とを有している。前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に前記複数の光感知セルの各々に入射する光を各光感知セルのセル入射光とするとき、前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第１の色成分に相当する第１波長域の光の量に対して第１の割合に相当する量の前記第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、第２の割合に相当する量の前記第１波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させるように構成される。前記第１の光感知セルは、受けた光の量に応じた第１の光電変換信号を出力し、前記第２の光感知セルは、受けた光の量に応じた第２の光電変換信号を出力する。

本発明の撮像装置は、入射する光に含まれる少なくとも１つの色成分の光を分光する分光要素アレイを用いて、２つの画素の差信号が入射光に含まれる前記色成分の光の量に比例するように構成される。そのため、各画素に入射する光に含まれる前記色成分の光の量に対する前記差信号が示す光の量の割合に基づいて、入射光に含まれる１つの色成分の光の量に応じた信号を得ることができる。そのため、光感知セルを大幅に増やすことなく、光利用率を高くでき、かつ、光学材料の特性や構造に起因して分光状態が不十分であっても、入射光に含まれる１つの色成分の光の量に対応する情報を得ることができる。

本発明の各実施形態における分光要素アレイと光感知セルの配置を示す模式図 （ａ）は入射光量が相対的に少ない場合の入射光の色成分ごとの量を示す図、（ｂ）は（ａ）の入射光に対応して光感知セル２ａが受光する光の色成分ごとの量を示す図、（ｃ）は（ａ）の入射光に対応して光感知セル２ｂが受光する光の色成分ごとの量を示す図 （ａ）は入射光量が相対的に多い場合の入射光の色成分ごとの量を示す図、（ｂ）は（ａ）の入射光に対応して光感知セル２ａが受光する光の色成分ごとの量を示す図、（ｃ）は（ａ）の入射光に対応して光感知セル２ｂが受光する光の色成分ごとの量を示す図 本発明の実施形態１における撮像装置の構成を表すブロック図 本発明の実施形態１におけるレンズおよび撮像素子を示す斜視図 本発明の実施形態１における、分光要素としてマイクロプリズムを用いた場合の分光要素と光感知セルの配置を示す平面図 本発明の実施形態１におけるＡ−Ａ´線断面図 本発明の実施形態１における３つの色成分を得るための分光要素と光感知セルの配置の例を示す平面図 本発明の実施形態１における変形例の構成を示す図 本発明の実施形態２における、分光要素としてマイクロプリズムを用いた場合の分光要素と光感知セルの配置を示す平面図 本発明の実施形態２におけるＢ−Ｂ´線断面図 本発明の実施形態２における変形例の構成を示す図 本発明の実施形態３における分光要素と光感知セルの配置を示す平面図 隣接する１つの画素に入射光の一部を入射させるマイクロプリズムの外形図 両側に隣接する２つの画素に同色の光の一部をそれぞれ入射させるマイクロプリズムの外形図 マイクロレンズと反射タイプの色フィルタを用いた従来の固体撮像素子の断面図 マイクロプリズムを用いた従来技術の分光及び受光状態を示す図 ダイクロイックミラーと反射とを用いて光の利用率を高めた撮像素子の断面の一部を示す図

本発明の各実施形態における撮像装置は、撮像面に２次元状に配列された複数の画素（本明細書において「光感知セル」とも呼ぶ）と、画素に入射する光のうち、少なくとも第１の色成分（例えばＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの色成分）の光を分光して複数の画素に入射させる分光要素アレイとを備えている。各光感知セルは光を受けると光電変換を行い、受けた光の量に応じた電気信号（光電変換信号）を出力する。分光要素アレイは、互いに近接する２つの画素が受ける第１の色成分の光の量の差が各画素に入射する第１の色成分に対応する波長域の光の量に比例するように構成されている。言い換えれば、分光要素アレイによって、２つの光感知セルには、入射光に含まれる第１の色成分の光の量に対して互いに異なる割合で第１の色成分の光が入射する。そのため、入射光に含まれる第１の色成分の光の量に対する２つの光感知セルの差信号が示す光の量の割合がわかっていれば、前記差信号に基づいて、入射光に含まれる第１の色成分の光の量に応じた色信号を生成することができる。

図１は、分光要素アレイ４が第１の色成分の光を２つの光感知セル２ａ、２ｂに異なる割合で入射させる例を示している。図示される例では、入射光に含まれる第１の色成分の光の量をＣｉとし、他の２つの色成分の光の量をＣｊおよびＣｋとして、入射光量Ｌを、Ｌ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋと表している。分光要素アレイ４による分光の結果、光感知セル２ａはＣｉのα倍の量の第１の色成分の光を受け、光感知セル２ｂはＣｉのβ倍の量の第１の色成分の光を受ける。ここで、α＞β＞０である。第１の色成分以外の光については、光感知セル２ａで受ける光と光感知セル２ｂで受ける光との間に差異はない。その結果、光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ受ける光の量Ｌ２ａ、Ｌ２ｂは、それぞれＬ２ａ＝αＣｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋ、Ｌ２ｂ＝βＣｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋと表すことができる。

ここで、説明のため、第１の色成分の光をＩ光とし、他の２つの色成分の光をＪ光およびＫ光とする。図２（ａ）は、入射光におけるＩ、Ｊ、Ｋ各成分の光の量の一例を示している。図２（ｂ）、（ｃ）は、図２（ａ）に示す入射光に対して光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ受ける光におけるＩ、Ｊ、Ｋ各成分の光の量を示している。また、図３（ａ）は、図２（ａ）に示す例と比較して各色成分の光を相対的に多く含む入射光におけるＩ、Ｊ、Ｋ各成分の光の量の例を示している。図３（ｂ）、（ｃ）は、図３（ａ）に示す入射光に対してそれぞれ光感知セル２ａ、２ｂが受ける光のＩ、Ｊ、Ｋ各成分の光量を示している。

図２（ａ）〜（ｃ）に示す例では、入射光に含まれるＩ光の量はＣｉ、Ｊ光の量はＣｊ、Ｋ光の量はＣｋである。よって、入射光量Ｌは、Ｌ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋと表される。これに対し、図３（ａ）〜（ｃ）に示す例では、入射光に含まれるＩ光の量はＣｉ´（＞Ｃｉ）、Ｊ光の量はＣｊ´（＞Ｃｊ）、Ｋ光の量はＣｋ´（＞Ｃｋ）である。よって、入射光量Ｌ´は、Ｌ´＝Ｃｉ´＋Ｃｊ´＋Ｃｋ´と表される。分光要素アレイ４による分光の結果、図２（ａ）〜（ｃ）に示す例では、光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ受ける光の量Ｌ２ａ、Ｌ２ｂは、それぞれ以下の式１、２で表される。
（式１） Ｌ２ａ＝αＣｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋ
（式２） Ｌ２ｂ＝βＣｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋ
同様に、図３（ａ）〜（ｃ）に示す例では、光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ受ける光の量Ｌ２ａ´、Ｌ２ｂ´は、それぞれ以下の式３、４で表される。
（式３） Ｌ２ａ´＝αＣｉ´＋Ｃｊ´＋Ｃｋ´
（式４） Ｌ２ｂ´＝βＣｉ´＋Ｃｊ´＋Ｃｋ´
式２から式１を減じることにより、以下の式５が得られる。
（式５） Ｌ２ｂ−Ｌ２ａ＝（β−α）Ｃｉ
同様に、式４から式３を減じることにより、以下の式６が得られる。
（式６） Ｌ２ｂ´−Ｌ２ａ´＝（β−α）Ｃｉ´

式５、６から、β−αの値が予めわかっていれば、入射光量に関わらず、入射光に含まれる第１色成分の光の量（ＣｉおよびＣｉ´）を算出できることがわかる。すなわち、入射光に含まれる第１の色成分の光の量に対する２つの光感知セルの差信号が示す光の量の割合が予めわかっていれば、入射光に含まれる第１の色成分の光の量に応じた色信号を生成することができる。

本発明における各実施形態では、上記の原理に基づいて各画素に入射する１つの色成分の光の量に関する情報を得ることができる。また、他の２つの色成分の光の量も同様の原理に基づいて得ることができる。

なお、図１では分光要素アレイ４は複数の光感知セルを覆うように描かれているが、１つの光感知セルに対向して１つの分光要素が配置されていてもよい。また、必ずしも全ての光感知セルに対向して分光要素が配置されている必要はなく、対向する分光要素がない光感知セルがあってもよい。２つの光感知セルが受ける１つの色成分の光の量に差異が生じ、他の２つの色成分の光の量が同一になるように分光要素アレイが構成されていれば、本発明の効果を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、全ての図にわたって共通する要素には同一の符号を付している。なお、本明細書において、「上」、「直下」、「斜め下」等の方向を示す用語は、参照される図面に基づいて解釈されるものとする。実際の撮像装置における撮像面の向きは常に変化しうるため、本明細書における方向を示す用語は、現実には撮像面の向きに応じて様々な方向を意味しうる。

（実施形態１）
図４は、本発明の第１の実施形態における撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図示される撮像装置は、撮像部１００と、撮像部１００からの信号を受信し映像信号を生成する信号処理部２００とを備えている。以下、撮像部１００および信号処理部２００を説明する。

撮像部１００は、被写体を結像するためのレンズ１０１と、光学板１０２と、レンズ１０１および光学板１０２を通して結像した光情報を、光電変換により電気信号に変換する固体撮像素子１０３と、信号発生および画素信号受信部１０４とを備えている。ここで、光学板１０２は、画素配列が原因で発生するモアレパターンを低減するための水晶ローパスフィルタに、赤外線を除去するための赤外カットフィルタを合体させたものである。また、信号発生および画素信号受信部１０４は、固体撮像素子１０３を駆動するための基本信号を発生すると共に、固体撮像素子１０３からの信号を受け取り、信号処理部２００に送出する。

信号処理部２００は、信号発生および画素信号受信部１０４から受け取った信号および入射光に含まれる特定の色成分の光の量に対して各画素が受ける当該色成分の光の量の割合を示す情報を記憶するメモリ２０１と、メモリ２０１から読み出したデータに基づいて画素ごとの色信号を生成する色信号生成部２０２と、色信号を外部に出力するインターフェース（ＩＦ）部２０３とを有している。

なお、以上の構成はあくまでも一例であり、本発明において、固体撮像素子１０３を除く構成要素は、公知の要素を適切に組み合わせて用いることができる。以下、本実施形態の固体撮像素子１０３について説明する。

図５は、レンズ１０１を透過した光が固体撮像素子１０３に入射する様子を模式的に示している。ここで、固体撮像素子１０３の撮像面１０３ａには、複数の光感知セルを含む光感知セルアレイが２次元状に配列されている。レンズ１０１による結像および上記ローパスフィルタの作用の結果、撮像面１０３ａに光（可視光）が入射する。撮像面１０３ａに入射する光の量（入射光量）および波長域ごとの入射光量の分布は、入射位置に応じて異なる。各々の光感知セルは、典型的にはフォトダイオードであり、光電変換により入射光量に応じた電気信号（光電変換信号）を出力する。

固体撮像素子１０３は、典型的にはＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサーであり、公知の半導体製造技術によって製造される。そして、光感知セルアレイが形成された面に対向して複数の分光要素を含む分光要素アレイが設けられる。

本実施形態の撮像装置は、分光要素アレイによる分光を利用してカラー画像信号を生成することができる。１つの光感知セルが出力する信号には、異なる複数の波長域の光に対応する信号成分が重畳されている。１つの光感知セルが出力する信号と他の光感知セルが出力する信号とを用いた演算により、各色の色信号を取り出すことができる。

本実施形態における分光要素は、例えば図１２に示すマイクロプリズムである。このようなマイクロプリズムに光が入射すると、波長によって屈折角が異なるため、その行路も波長によって異なる。そのため、マイクロプリズムの長さＬを調整することにより、各色の光線が光感知セルの受光面上に入射する位置を制御することができる。

図１２では、マイクロプリズムの斜め下方向に青（Ｂ）の光を、直下方向にその補色（黄（Ｙｅ）：赤（Ｒ）＋緑（Ｇ））の光を入射させる例を示している。マイクロプリズムの長さＬや、光感知セルに対するマイクロプリズムの相対位置を調整することによって、そのマイクロプリズムに対向する光感知セルに入射させる波長域の光線を変えることができる。なお、本明細書では波長域の異なる光成分を空間的に分離することを「分光」と称する。

このようなプリズム型の分光要素によれば、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を透過させ、当該入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光（第１波長域の光の補色）を透過させることができる。また、長さＬおよび光感知セルとの相対位置を調節することで、３つの方向にそれぞれ異なる波長域の光を透過させることも可能である。分光後における各波長域の光は、いずれも入射光を含む平面に含まれている。入射光の光軸を中心に分光要素を回転させて配置することにより、分光を含む上記平面の向きを変えることができる。

以上のような分光要素を有する分光要素アレイは、公知の半導体製造技術により、薄膜の堆積およびパターニングを実行することにより、製造され得る。また、分光要素を２次元状に配列する仕方（パターン）は多様である。分光要素の配列パターンを適切に設計することにより、光感知セルアレイを構成する個々の光感知セルに対して、入射光を所望の波長域に分離・統合して入射させることが可能となる。その結果、各光感知セルが出力する光電変換信号の組から、必要な色成分に対応する信号を算出することができる。

一方、上記マイクロプリズムの代わりに光の回折を利用するタイプの分光要素を用いることもできる。このタイプの分光要素は、屈折率が相対的に高い材料から形成された高屈折率透明部材（コア部）と、屈折率が相対的に低い材料から形成されコア部の各々の側面と接する低屈折率透明部材（クラッド部）とを有する。コア部とクラッド部の屈折率差により、入射光が回折する。このため、入射光に対して第１の角度をなす方向へ第１波長域の光を入射させ、当該入射光に対して第２の角度をなす方向へ第２波長域の光（第１波長域の光の補色）を入射させることが可能となる。また、３つの方向にそれぞれ異なる波長域の光を透過させることも可能である。コア部の存在によって分光が可能になるため、本明細書では、個々の高屈折率透明部材も「分光要素」であるものとする。このような、屈折率の異なる材料から形成された、回折を生じさせる分光要素でも、マイクロプリズムを用いた場合と同様、光感知セルからの光電変換信号を用いた簡単な演算で効率よく色信号を取り出すことができる。

以下、図６Ａ、６Ｂを参照しながら、本実施形態の固体撮像素子１０３をさらに詳細に説明する。

図６Ａは本実施形態における固体撮像素子１０３の撮像面１０３ａにおける光感知セル２ａ、２ｂとマイクロプリズム１ａの配置を示す平面図である。図示される構成では、分光要素としてマイクロプリズム１ａが用いられている。図６Ａは、２画素から１つの色成分を得るための基本構成を示している。図６Ｂは、図６Ａに示すＡ−Ａ´線における断面図である。

本実施形態における固体撮像素子１０３は、各々が光感知セル２ａと、光感知セル２ｂと、光感知セル２ａに対向して配置されたマイクロプリズム１ａとを含む複数の単位要素を有している。各単位要素には、図６Ｂにおける上方向から光（可視光）が入射する。ここで、説明のため、各単位要素に入射する可視光の波長域を、第１波長域、第２波長域、第３波長域に分け、各波長域に対応する色成分をそれぞれＩ、Ｊ、Ｋとする。Ｉ、Ｊ、Ｋの各色成分は、典型的にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれかの色成分に対応するが、Ｒ、Ｇ、Ｂとは異なる色成分であってもよい。以下の説明において、Ｉ、Ｊ、Ｋ各色成分の光をそれぞれＩ光、Ｊ光、Ｋ光と呼ぶことがある。分光要素アレイが存在しないと仮定した場合、光感知セル２ａ、２ｂに入射する光の量Ｗは、Ｗ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋと表すことができる。ここで、Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋはそれぞれ、Ｉ、Ｊ、Ｋの各色成分に対応する光の量を表している。以下の説明において、分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に光感知セルＸに入射する光を、光感知セルＸの「セル入射光」と呼ぶ。

マイクロプリズム１ａは、入射光をＩ、Ｊ、Ｋ３色に対応する３つの波長域の光に分離する。そして、マイクロプリズム１ａは、光感知セル２ａのセル入射光のうち、Ｉ成分の光の一部（量ΔＣｉに相当）を隣接画素（光感知セル２ｂ）に入射させ、それ以外の光を対向する光感知セル２ａに入射させる。光感知セル２ａ、２ｂは、各々が受けた光を光電変換し、各々の受光量に応じた光電変換信号を出力する。

以上の構成により、入射光に含まれるＩ成分の光の量Ｃｉを求めることができる。以下、光感知セル２ａ、２ｂの光電変換信号からＣｉを算出する過程を説明する。

マイクロプリズム１ａによる分光の結果、光感知セル２ａは、光感知セル２ａのセル入射光からΔＣｉの量のＩ成分の光を除く光を受ける。よって、光感知セル２ａが受ける光の量は、Ｗ−ΔＣｉと表される。一方、光感知セル２ｂは、光感知セル２ｂのセル入射光に加えて、マイクロプリズム１ａから入射するΔＣｉの量のＩ成分の光を受ける。よって、光感知セル２ｂが受ける光の量はＷ＋ΔＣｊと表される。ここで、量Ｗ、Ｃｉ、ΔＣｉに対応する光電変換信号をそれぞれＷｓ、Ｃｉｓ、ΔＣｉｓとすると、光感知セル２ａ、２ｂからそれぞれ出力される光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、それぞれ以下の式７、８で表される。
（式７） Ｓ２ａ＝Ｗｓ−ΔＣｉｓ
（式８） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋ΔＣｉｓ
式８から式７を減じると、以下の式９が得られる。
（式９） Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２ΔＣｉｓ
式９に示すように、光感知セル２ａ、２ｂの差信号から、光感知セル２ａ、２ｂが受けるＩ光の量の差２ΔＣｉに対応する信号が得られる。

さらに、本実施形態の撮像装置は、マイクロプリズム１ａによる各画素へのＩ光の分光分布を示すデータを予め保有することができる。例えば、入射光に含まれるＩ光の量（Ｃｉ）に対する、光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ受けるＩ光の量の割合を示すデータをメモリ２０１に格納しておくことができる。そのようなデータから、入射光に含まれるＩ光の量に対する光感知セル２ａ、２ｂの差信号が示す光の量の割合（２ΔＣｉ／Ｃｉ）を得ることができる。すなわち、入射光に含まれるＩ光の量Ｃｉと隣接画素（光感知セル２ｂ）に入射させるＩ光の量ΔＣｉとの関係がわかるため、分光量ΔＣｉからＣｉを算出できる。なお、Ｃｉに対するΔＣｉの割合を示す情報は、必ずしもメモリ２０１に格納されている必要はない。上記割合に基づいて信号処理部がΔＣｉからＣｉを算出できるように予め信号処理回路が構成されていてもよい。

ここで、ＣｉとΔＣｉの比をＫｉ（＝Ｃｉ／ΔＣｉ）とすると、式９から得られる２ΔＣｉｓをＫｉ倍することにより、Ｃｉｓの２倍の信号が得られる。また、Ｓ２ａ、Ｓ２の加算により２Ｗｓが得られる。以上の処理を信号処理部が行うことにより、２画素の信号から、入射光に含まれる１つの色成分の光の量Ｃｉと、入射光量Ｗとを算出することができる。

以上のように、本実施形態の撮像装置によれば、２画素を最小単位として、一方の画素に入射光に含まれる１つの色成分の光の一部が入射するように、１つの画素に対向して分光要素（マイクロプリズム）が配置される。予め入射光量に含まれる１つの色成分の光の量に対する各画素が受ける当該色成分の光の量の割合を調べておくことにより、当該色成分を算出することができる。

本実施形態の撮像装置では、分光要素は、１つの光感知セルのセル入射光のうち、１つの色成分の光の一部が他の光感知セルに入射するように配置されていればよい。このため、１つの分光要素は１つの光感知セルを完全に覆っていなくてもよい。したがって、分光要素の長手方向に対して垂直方向（撮像面にほぼ平行な方向）の断面積が光感知セルの受光面積より小さくてもよい。また、分光要素は、１つの色成分の光の全てを対向する画素の隣接画素に入射させる必要がないため、分光素子に要求される分光の程度を緩和でき、分光素子の作製が比較的容易であるという実用的な特長を有する。

以上、２画素を基本として入射光に含まれる１つの色成分の光の量を得るための構成を説明した。本実施形態における撮像素子では、図６Ａに示す構成を２組用いることにより、入射光に含まれる３つの色成分の光の量を得ることができる。図７はそのような撮像素子における単位要素の一例を示している。図示される構成では、各単位要素は図６Ａに示す要素に加えて、さらに２つの光感知セル２ｃ、２ｄと１つのマイクロプリズム１ｈとを有している。マイクロプリズム１ｈは、光感知セル２ｄのセル入射光に含まれる色成分Ｊに対応する波長域の光の一部（量ΔＣｊに相当）を光感知セル２ｃに入射させる。このような構成により、光感知セル２ｃ、２ｄの差信号から、量２ΔＣｊに対応する信号を得ることができる。したがって、予めＣｊとΔＣｊとの関係を求めておくことにより、Ｃｊを求めることができる。ＣｉとＣｊとを得ることができれば、Ｗ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋの関係から残りの色成分Ｋに対応する波長域の光の量Ｃｋも得ることができる。結果として、入射光に含まれる３つの色成分Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋの光の量を示す情報が得られ、カラー画像の再現が可能となる。

本実施形態におけるマイクロプリズムは、入射光に含まれる第１の色成分の光を２つの光感知セルに入射させるように構成されている。しかし、マイクロプリズムは、入射光に含まれる第１の色成分の光を３つ以上の光感知セルに入射させるように構成されていてもよい。図８は、そのように構成されたマイクロプリズムを有する撮像素子の例を示している。図示される撮像素子は、直線状に光感知セル２ａと光感知セル２ｂとが交互に配置された複数の光感知セルと、光感知セル２ａに対向して配置されたマイクロプリズム１ｉとを備えている。マイクロプリズム１ｉは、光感知セル２ａのセル入射光に含まれる１つの色成分の光の一部を半分ずつ（量ΔＣｉ／２に相当）対向する光感知セル２ａの両隣の２つの光感知セル２ｂに入射させるように構成されている。このような構成により、光感知セル２ａが受ける光の量は、Ｗ−ΔＣｉと表すことができる。また、光感知セル２ｂが受ける光の量は、Ｗ＋ΔＣｉと表すことができる。したがって、この構成においても光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号は、それぞれ式７、８で表すことができる。よって、同様の原理により、Ｃｉを求めることができる。なお、マイクロプリズム１ｉは、例えば図１３に示すように、マイクロプリズム１を２つ用いて、それらの向きを変えて接合したものである。このようなマイクロプリズムによれば、２つの異なる方向に１つの色成分の光を等量ずつ入射させることが可能となる。ここで、図１３は、Ｂ光を２つの異なる方向に入射させるように構成されたマイクロプリズム１ｊを示しているが、これはあくまでも一例である。マイクロプリズム１ｉが２つの光感知セル２ｂに入射させる色成分は、どの色成分であってもよい。

本実施形態の撮像装置は、分光要素としてマイクロプリズムを用いているが、分光要素はマイクロプリズムに限られない。分光要素は、入射する光を波長域に応じて分光するものであれば何でもよい。例えば、上述の光回折を利用する分光要素を用いてもよい。また、本実施形態の撮像装置では、１つの画素に対向して複数の分光要素が配置されていてもよい。その場合でも、２画素の和信号が入射光量に比例し、差信号が入射光に含まれる１つの色成分の光の量に比例するようにそれらの分光要素が配置されていれば、同様の効果が得られる。

（実施形態２）
次に本発明の第２の実施形態について、図９Ａ、９Ｂを参照しながら説明する。本実施形態の撮像装置は、実施形態１の撮像装置と比較して、撮像素子のみが異なり、その他の構成要素は同一である。そのため、実施形態１の撮像装置と異なる点のみを以下、説明する。以下の説明において、実施形態１の撮像装置と重複する構成要素には同一の参照符号を付している。

図９Ａは、本実施形態における撮像素子の撮像面における光感知セルと分光要素の配置を示している。図示される構成では、分光要素として２つのマイクロプリズム１ｂ、１ｃが用いられている。図９Ｂは、図９Ａに示すＢ−Ｂ´線における断面図である。

本実施形態における撮像素子は、光感知セル２ａと、光感知セル２ｂと、光感知セル２ａに対向して配置されたマイクロプリズム１ｂと、光感知セル２ｂに対向して配置されたマイクロプリズム１ｃとを含む複数の単位要素を有している。各単位要素には、図９Ｂにおける上方向から光が入射する。実施形態１における撮像素子と同様、光感知セル２ａ、２ｂのセル入射光の量Ｗは、Ｗ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋと表すことができる。

ここで、各光感知セルのセル入射光に含まれるＩ光とＪ光とを合わせた光をＺ光とすると、Ｚ光の量Ｃｚは、Ｃｚ＝Ｃｉ＋Ｃｊと表すことができる。また、Ｗ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋより、色成分Ｉ、Ｊ、Ｋが原色光である場合、Ｋ光とＺ光とは互いに原色と補色の関係にある。本実施形態におけるマイクロプリズム１ｂは、光感知セル２ａのセル入射光のうち、Ｚ光の一部（量ΔＣｚに相当）を隣接画素（光感知セル２ｂ）に入射させ、それ以外の光を対向する光感知セル２ａに入射させるように配置されている。ここで、ΔＣｚに含まれるＩ光、Ｊ光の量をそれぞれΔＣｉ、ΔＣｊ_ｂｂとすると、ΔＣｚ＝ΔＣｉ＋ΔＣｊ_ｂｂと表される。すなわち、マイクロプリズム１ｂは、光感知セル２ａのセル入射光のうち、量ΔＣｉのＩ光と、量ΔＣｊ_ｂｂのＪ光とを光感知セル２ｂに入射させ、量（Ｃｉ−ΔＣｉ）のＩ光と、量（Ｃｊ−ΔＣｊ_ｂｂ）のＪ光と、量ＣｋのＫ光とを光感知セル２ａに入射させる。また、マイクロプリズム１ｃは、光感知セル２ｂのセル入射光のうち、Ｊ光の一部（量ΔＣｊ_ｃａに相当）を隣接画素（光感知セル２ａ）に入射させ、それ以外の光、すなわち量ＣｉのＩ光と、量（Ｃｊ−ΔＣｊ_ｃａ）のＪ光と、量ＣｋのＫ光とを対向する光感知セル２ｂに入射させるように配置されている。

本実施形態の撮像装置は、次の２点に特徴を有している。第１点は、予めマイクロプリズム１ｂ、１ｃによる各画素へのＩ光の分光分布を示す情報を保有しておくことである。第２点は、マイクロプリズム１ｂが光感知セル２ｂに入射させるＪ光の量ΔＣｊ_ｂｂと、マイクロプリズム１ｃが光感知セル２ａに入射させるＪ光の量ΔＣｊ_ｃａとが等しくなるように各マイクロプリズムが配置されていることである。すなわち、ΔＣｊ_ｂｂ＝ΔＣｊ_ｃａが成立している。図９Ａ、９Ｂでは、ΔＣｊ_ｂｂおよびΔＣｊ_ｃａをΔＣｊと表している。

以上の構成により、入射光に含まれるＩ成分の光の量Ｃｉを求めることができる。以下、光感知セル２ａ、２ｂの光電変換信号から１つの色成分Ｃｉを算出する過程を説明する。

まず、撮像素子の光感知セル２ａ、２ｂに対して量Ｗ（＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋ）の光が入射する。マイクロプリズム１ｂによる分光の結果、光感知セル２ａは、光感知セル２ａのセル入射光から、量ΔＣｚのＺ光を除く光を受光する。また、マイクロプリズム１ｃによる分光の結果、光感知セル２ａは、量ΔＣｊ_ｃａのＪ光を受光する。一方、光感知セル２ａの隣接画素（光感知セル２ｂ）は、マイクロプリズム１ｃによる分光の結果、光感知セル２ｂのセル入射光から、一部の量ΔＣｊ_ｃａのＪ光を除く光を受光する。また、マイクロプリズム１ｂによる分光の結果、光感知セル２ｂは、量ΔＣｉのＩ光と、量ΔＣｊ_ｂｂのＪ光とを受光する。ここで、量Ｗ、ΔＣｉ、ΔＣｊ_ｂｂ、ΔＣｊ_ｃａに対応する光電変換信号をそれぞれＷｓ、ΔＣｉｓ、ΔＣｊｓ_ｂｂ、ΔＣｊｓ_ｃａとする。すると、光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ出力する光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、それぞれ以下の式１０、１１で表すことができる。
（式１０） Ｓ２ａ＝Ｗｓ−ΔＣｉｓ−ΔＣｊｓ_ｂｂ＋ΔＣｊｓ_ｃａ
（式１１） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ−ΔＣｊｓ_ｃａ＋ΔＣｉｓΔＣｊｓ_ｂｂ
本実施形態において、ΔＣｊｓ_ｂｂ＝ΔＣｊｓ_ｃａが成立するため、式１０および式１１は、それぞれ以下の式１２および１３に書き換えられる。
（式１２） Ｓ２ａ＝Ｗｓ−ΔＣｉｓ
（式１３） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋ΔＣｉｓ
式１２および式１３は、それぞれ実施形態１における式７および式８と同一である。式１３から式１２を減じることにより、以下の式１４が得られる。
（式１４） Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝２ΔＣｉｓ
式１４に示すように、光感知セル２ａ、２ｂの差信号から、光感知セル２ａ、２ｂが受けるＩ光の量の差２ΔＣｉに対応する信号が得られる。

さらに、本実施形態の撮像装置は、マイクロプリズム１ａ、１ｂによる各画素へのＩ光の分光分布を示す情報を予め保有している。例えば、入射光に含まれるＩ光の量（Ｃｉ）に対する、光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ受けるＩ光の量の割合を示す情報をメモリ２０１に格納しておくことができる。そのような情報に基づいて、入射光に含まれるＩ光の量に対する光感知セル２ａ、２ｂの差信号が示す光の量の割合（２ΔＣｉ／Ｃｉ）を得ることができる。予め準備した上記割合を示す情報に基づいて、入射光Ｃｉと隣接画素ΔＣｉとの比Ｋｉ（＝Ｃｉ／ΔＣｉ）を求めることができる。式１４から得られる２ΔＣｉｓをＫｉ倍することにより、Ｃｉｓの２倍の信号が得られる。

また、異なる２つの光感知セルとマイクロプリズムを用いれば、同様に光Ｃｊの光電変換信号も得ることができる。ＣｉとＣｊを得ることができれば、Ｗ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋの関係から、残りの光成分Ｃｋも得ることができる。その結果、入射光に含まれる３つの色成分Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋの光の量を示す情報が得られ、カラー画像の再現が可能となる。

以上のように本実施形態の撮像装置によれば、２画素を最小単位として、それらの画素に対向してマイクロプリズム１ｂ、１ｃが配置される。マイクロプリズム１ｂは、対向する画素の隣接画素（光感知セル２ｂ）に、入射光に含まれるＩ成分の光の一部と、Ｊ成分の光の一部とを入射されるように配置されている。マイクロプリズム１ｃは、対向する画素の隣接画素（光感知セル２ａ）に、入射光に含まれるＪ成分の光の一部を入射させるように配置されている。マイクロプリズム１ｂが光感知セル２ｂに入射させるＪ成分の光の量と、マイクロプリズム１ｃが光感知セル２ａに入射させるＪ成分の光の量とが等しくなるように各マイクロプリズムは設計されている。そして、予め画素ごとに入射するＩ成分の光の分光分布を調べておくことにより、入射光に含まれるＩ成分の光の量を算出できる。マイクロプリズム１ｂは、入射光に含まれる１つの色成分の光の全てを隣接画素（光感知セル２ｂ）に入射させる必要はなく、一部の光を入射させるように構成されていればよい。したがって、分光素子に要求される分光の程度を緩和でき、分光素子の作製が比較的容易であるという実用的な特長を有する。

図９Ａ、９Ｂに示す撮像素子によれば、２つの光感知セルの各々が受けるＪ成分の光の量が相殺することによって、入射光に含まれるＩ成分の光の量を求めることができる。このことは、図９Ａ、９Ｂに示す構成以外の構成を有する撮像素子を用いても実現可能である。例えば、図１０に示す撮像素子を用いても同様に１つの色成分を得ることができる。

図示される撮像素子は、直線状に光感知セル２ａと光感知セル２ｂとが交互に配置された複数の光感知セルと、光感知セル２ａに対向して配置されたマイクロプリズム１ｄと、光感知セル２ｂに対向して配置されたマイクロプリズム１ｅとを備えている。マイクロプリズム１ｄは、マイクロプリズム１ｂと比較して空間的に広い範囲に光を分光・入射させるように構成されている。マイクロプリズム１ｄは、光感知セル２ａのセル入射光のうち、Ｉ光の一部（量ΔＣｉに相当）とＪ光の一部（量ΔＣｊに相当）とを、対向する光感知セルに隣接する２つの光感知セル２ｂにそれぞれ入射させるように構成されている。マイクロプリズム１ｅは、光感知セル２ｂのセル入射光に含まれるＪ光の一部を半分ずつ（量ΔＣｊ／２に相当）対向する光感知セル２ｂに隣接する２つの光感知セル２ａに入射させるように構成されている。

このような構成により、光感知セル２ａが受ける光の量は、Ｗ−ΔＣｉと表すことができる。また、光感知セル２ｂが受ける光の量は、Ｗ＋ΔＣｉと表すことができる。したがって、この構成においても光感知セル２ａ、２ｂから出力される光電変換信号は、それぞれ式１２、１３で表すことができる。よって、同様の原理により、Ｃｉを求めることができる。

なお、マイクロプリズム１ｄは、図１２に示すマイクロプリズム１の加工されていない片端を加工し、両端を傾斜させたものである。マイクロプリズム１ｅは、図１３に示すようにマイクロプリズム１を２つ用いて、それらの向きを変えて接合したものである。このようなマイクロプリズムによれば、２つの異なる方向に１つの色成分の光を等量ずつ入射させることが可能となる。ここで、図１３は、Ｂ光を２つの異なる方向に入射させるように構成されたマイクロプリズム１ｊを示しているが、これはあくまでも一例である。マイクロプリズム１ｅが２つの光感知セル２ｂに入射させる色成分は、どの色成分であってもよい。

本実施形態の撮像装置では、分光要素としてマイクロプリズムを用いているが、分光要素はマイクロプリズムに限られない。分光要素は、入射する光を波長域に応じて分光するものであれば何でもよい。例えば、上述の光回折を利用する分光要素を用いてもよい。また、本実施形態の撮像装置では、１つの画素に対向して複数の分光要素が配置されていてもよい。その場合でも、２画素の和信号が入射光量に比例し、差信号が入射光に含まれる１つの色成分の光の量に比例するようにそれらの分光要素が配置されていれば、同様の効果が得られる。

（実施形態３）
次に本発明の第３の実施形態について、図１１を参照しながら説明する。本実施形態の撮像装置は、実施形態１の撮像装置と比較して、撮像素子のみが異なり、その他の構成要素は同一である。そのため、実施形態１の撮像装置と異なる点のみを以下、説明する。以下の説明において、実施形態１の撮像装置と重複する構成要素には同一の参照符号を付している。

図１１は、分光要素として２種類のマイクロプリズムを２つずつ利用し、３画素から２つの色成分を得るための基本構成を示す平面図である。本実施形態における撮像素子は、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃと、光感知セル２ａに対向して配置されたマイクロプリズム１ｆ、１ｌと、光感知セル２ｃに対向して配置されたマイクロプリズム１ｇと、光感知セル２ｃに対向して配置されたマイクロプリズム１ｋとを含む複数の単位要素を有している。実施形態１における撮像素子と同様、各光感知セルのセル入射光の量Ｗは、Ｗ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋと表すことができる。

マイクロプリズム１ｆ、１ｋは、対向する画素の隣接画素にＩ成分の光の一部（量ΔＣｉに相当）を入射させ、それ以外の光を対向する画素に入射させるように構成されている。マイクロプリズム１ｇ、１ｌは、対向する画素の隣接画素にＪ成分の光の一部（量ΔＣｊに相当）を入射させ、それ以外の光を対向する画素に入射させるように構成されている。また、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃは、撮像素子の画素の一部で、入射光を光電変換し、入射光量に応じた光電変換信号を出力する。本実施形態において、マイクロプリズム１ｆ、１ｇが入射光を受ける面積は、画素の受光面積に比べてかなり小さい。

本実施形態の撮像装置は、次の２点に特徴を有している。第１点は、予めマイクロプリズム１ｆ、１ｇ、１ｋ、１ｌによる各画素へのＩ光およびＪ光の分光分布を示す情報を保有しておくことである。そうすることにより、入射光に含まれるＩ光の量Ｃｉ、およびＪ光の量Ｃｊと、隣接画素への分光量ΔＣｉ、ΔＣｊとの関係がわかり、分光量ΔＣｉ、ΔＣｊからＣｉ、Ｃｊが算出できる。第２点は、特定の色成分の光が集中する画素と集中しない画素との信号差分処理から入射光に含まれる当該色成分の量を算出できるということである。

以下、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃの光電変換信号から２つの色成分Ｃｉ、Ｃｊを算出する過程を説明する。

まず、撮像素子の光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃに対して量Ｗ（＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋ）の光が入射する。マイクロプリズム１ｆ、１ｇ、１ｋ、１ｌによる分光の結果、各光感知セルが受ける光は以下のとおりである。まず、光感知セル２ａは、光感知セル２ａのセル入射光から、量ΔＣｉのＩ光と量ΔＣｊのＪ光とを除く光を受ける。光感知セル２ｂは、光感知セル２ｂのセル入射光から量ΔＣｊのＪ光を除く光と、マイクロプリズム１ｆから入射する量ΔＣｉのＩ光とを受ける。光感知セル２ｃは、光感知セル２ｃのセル入射光から量ΔＣｉのＩ光を除く光と、マイクロプリズム１ｇから入射する量ΔＣｊのＪ光と、マイクロプリズム１ｌから入射する量ΔＣｊのＪ光とを受ける。

このように、光感知セル２ｂにはＩ成分の光が集中し、光感知セル２ｃにはＪ成分の光が集中する。光感知セル２ａには特定の色成分の光の集中はない。ここで、光量Ｗ、Ｃｉ、Ｃｊ、ΔＣｉ、ΔＣｊに対応する光電変換信号をそれぞれＷｓ、Ｃｉｓ、Ｃｉｓ、ΔＣｉｓ、ΔＣｊｓとする。すると、光感知セル２ａ、２ｂ、２ｃの光電変換信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃはそれぞれ以下の式１５〜１７で表される。
（式１５） Ｓ２ａ＝Ｗｓ−ΔＣｉｓ−ΔＣｊｓ
（式１６） Ｓ２ｂ＝Ｗｓ＋２ΔＣｉｓ−ΔＣｊｓ
（式１７） Ｓ２ｃ＝Ｗｓ−ΔＣｉｓ＋２ΔＣｊｓ
式１６から式１５を減じることにより、以下の式１８が得られる。
（式１８） Ｓ２ｂ−Ｓ２ａ＝３ΔＣｉｓ
また、式１７から式１５を減じることにより、以下の式１９が得られる。
（式１９） Ｓ２ｃ−Ｓ２ａ＝３ΔＣｊｓ
式１８に示すように、光感知セル２ａ、２ｂの差信号から、光感知セル２ａ、２ｂが受けるＩ光の量の差３ΔＣｉに対応する信号３ΔＣｉｓが得られる。また、式１９に示すように、光感知セル２ａ、２ｃの差信号から、光感知セル２ａ、２ｃが受けるＪ光の量の差３ΔＣｊに対応する信号３ΔＣｊｓが得られる。

本実施形態の撮像装置では、上記のように、予め入射光に含まれるＩ成分の光の量Ｃｉと、マイクロプリズム１ｆ、１ｋが隣接画素に入射させるＩ成分の光の量ΔＣｉとの関係を示す情報を予め保有している。同様に、入射光に含まれるＪ成分の光の量Ｃｊと、マイクロプリズム１ｇ、１ｌが隣接画素に入射させるＪ成分の光の量ΔＣｊとの関係を示す情報を予め保有している。例えば、入射光に含まれるＩ光の量（Ｃｉ）に対する、光感知セル２ａ、２ｂがそれぞれ受けるＩ光の量の割合を示す情報をメモリ２０１に格納しておくことができる。そのような情報に基づいて、入射光に含まれるＩ光の量に対する光感知セル２ａ、２ｂの差信号が示す光の量の割合（３ΔＣｉ／Ｃｉ）を得ることができる。同様に、入射光に含まれるＪ光の量（Ｃｊ）に対する、光感知セル２ａ、２ｃがそれぞれ受けるＪ光の量の割合を示す情報もメモリ２０１に格納しておくことができる。そのような情報に基づいて、入射光に含まれるＪ光の量に対する光感知セル２ａ、２ｃの差信号が示す光の量の割合（３ΔＣｊ／Ｃｊ）を得ることができる。そして、Ｃｉ／ΔＣｉ＝Ｋｉとすると、３ΔＣｉｓをＫｉ倍することにより、Ｃｉｓの３倍の信号が得られる。同様に、Ｃｊ／ΔＣｊ＝Ｋｊとすると、３ΔＣｊｓをＫｊ倍することにより、Ｃｊｓの３倍の信号が得られる。また、式１５、１６、１７の和をとることにより、３Ｗｓが得られる。したがって、ＣｉとＣｊとを得ることができれば、Ｗ＝Ｃｉ＋Ｃｊ＋Ｃｋの関係から、残りの光成分Ｃｋも得ることができる。その結果、入射光に含まれる３つの色成分Ｃｉ、Ｃｊ、Ｃｋの光の量を示す情報が得られ、カラー画像の再現が可能となる。

以上のように本実施形態の撮像装置によれば、３画素を基本構成として、各画素に対向して１つ以上の分光要素が配置される。分光要素として２種類のマイクロプリズムが２つずつ配置される。マイクロプリズム１ｆ、１ｋは、各々に対向する画素の隣接画素（光感知セル２ｂ）に、入射光に含まれるＩ成分の光の一部をそれぞれ入射させるように構成される。その結果、光感知セル２ｂには他の光感知セルと比較してＩ成分の光が集中する。マイクロプリズム１ｇ、１ｌは、各々に対向する画素の隣接画素（光感知セル２ｃ）に、入射光に含まれるＪ成分の光の一部をそれぞれ入射させるように構成される。その結果、光感知セル２ｃには他の光感知セルと比較してＪ成分の光が集中する。予めそれらのマイクロプリズムによるＩ成分およびＪ成分の光の画素ごとの分光分布を調べておくことにより、入射光に含まれるＩ成分およびＪ成分の光の量を算出できる。このように、入射光に含まれる１つの色成分の光の一部の情報を利用するだけで、当該色成分の光の量を算出できるという効果がある。このため、求めたい色成分の光を全て隣接画素に入射させる必要はない。したがって、分光素子に要求される分光の程度を緩和でき、分光素子の作製が比較的容易であるという実用的な特長を有する。

本実施形態の撮像装置では、分光要素としてマイクロプリズムを用いているが、分光要素はマイクロプリズムに限られない。分光要素は、入射する光を波長域に応じて分光するものであれば何でもよい。例えば、上述の光回折を利用する分光素子を用いてもよい。また、本実施形態の撮像装置では、１つの画素に対向して複数の分光要素が配置されていてもよい。その場合でも、３画素の和信号が入射光量に比例し、２画素の差信号が入射光に含まれる１つの色成分の光の量に比例するようにそれらの分光要素が配置されていれば、同様の効果が得られる。

また、３画素を基本構成としない構成も可能である。ｎを２以上の整数として、ｎ画素を基本構成とし、ｎ−１個の画素にはそれぞれいずれかの色成分の光が集中し、１つの画素にはどの色の光も集中しない構成であればよい。この構成では、どの色の光も集中しない画素と１つの色成分の光が集中する画素との差分演算を含む処理によって、入射光に含まれる当該色成分の光の量を算出することができる。

以上の実施形態１〜実施形態３において、画素配列については言及しなかったが、特に限定されるものではない。２次元正方状に配列した構成でも、ハニカム構造の配置構成でも、本技術は適用可能である。さらに、表面照射型の固体撮像素子だけでなく裏面照射型の固体撮像素子のような全面受光タイプの撮像素子に対しても問題なく適用でき、その有効性が変わるものではない。

本発明にかかる撮像装置は、固体撮像素子を用いた民生用カメラ、所謂、デジタルカメラ、デジタルムービーや放送用の固体カメラ、産業用の固体監視カメラ等に用いられる。なお、本発明は、撮像デバイスが固体撮像素子でなくとも、全てのカラーカメラに有効である。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ、１ｉ、１ｊ、１ｋ、１ｌ マイクロプリズム
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 撮像素子の光感知セル
４ 分光要素アレイ
１１ マイクロレンズ
１２ インナーレンズ
１３ 赤（Ｒ）以外を反射するダイクロイックミラー
１４ 緑（Ｇ）のみを反射するダイクロイックミラー
１５ 青（Ｂ）のみを反射するダイクロイックミラー
１６ 従来のマイクロプリズム
２３、２４、２５ 従来技術における撮像素子の光感知部
３１ 透光性の樹脂
３２ Ｇ光透過のダイクロイックミラー
３３ Ｒ光透過のダイクロイックミラー
３４ Ｇ光透過の有機色素フィルタ
３５ Ｒ光透過の有機色素フィルタ
３６ マイクロレンズ
３７ 金属層
１００ 撮像部
１０１ 光学レンズ
１０２ 光学板
１０３ 撮像素子
１０３ａ 撮像面
１０４ 信号発生及び画素信号受信部
２００ 信号処理部
２０１ メモリ
２０２ 色信号生成部
２０３ ビデオインターフェース部

Claims (11)

1. ２次元状に配列された複数の画素と、
   各画素に入射する光のうち、少なくとも１つの色成分の光を分光する分光要素アレイであって、前記複数の画素に含まれる２つの画素の差信号が各画素に入射する光に含まれる前記色成分の光の量に比例するように前記色成分の光を分光する分光要素アレイと、
   各画素に入射する光に含まれる前記色成分の光の量に対する前記差信号の割合と前記差信号に基づいて前記色成分の光の量に応じた色信号を生成する信号処理部と、
   を備える撮像装置。
2. 固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の撮像面に像を形成する光学系と、
   前記固体撮像素子から出力される電気信号を処理する信号処理部と、
   を備える撮像装置であって、
   前記固体撮像素子は、
   複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと
   複数の分光要素を含む分光要素アレイと、
   を有し、
   前記光感知セルアレイおよび前記分光要素アレイは、複数の単位要素から構成され、
   前記複数の単位要素の各々は、
   第１の光感知セルと、
   第２の光感知セルと、
   前記第１の光感知セルに対向して配置された分光要素と、
   を有し、
   前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に前記複数の光感知セルの各々に入射する光を各光感知セルのセル入射光とするとき、
   前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第１の色成分に相当する第１波長域の光の量に対して第１の割合に相当する量の前記第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、第２の割合に相当する量の前記第１波長域の光線を前記第２の光感知セルに入射させるように構成され、
   前記第１の光感知セルは、受けた光の量に応じた第１の光電変換信号を出力し、
   前記第２の光感知セルは、受けた光の量に応じた第２の光電変換信号を出力し、
   前記信号処理部は、前記第１の割合および前記第２の割合に基づいて、前記第１の光電変換信号と前記第２の光電変換信号との差分演算を含む処理により、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光の量に対応する色信号を出力する撮像装置。
3. 前記信号処理部は、メモリを有し、
   前記メモリに、前記第１の割合および前記第２の割合を示す情報が格納されている、請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光線の一部を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光線の他の少なくとも一部を前記第１の光感知セルに入射させる、請求項２または３に記載の撮像装置。
5. 前記分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光線のうち、前記第２の光感知セルに入射させる光線を除く前記第１波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させる、請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる光線のうち、前記第２の光感知セルに入射させる光線を除く光線を前記第１の光感知セルに入射させる、請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記分光要素を第１の分光要素とするとき、
   前記複数の単位要素の各々は、
   第３の光感知セルと、
   第４の光感知セルと、
   前記第３の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素と、
   を有し、
   前記分光要素アレイは、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる第２の色成分に相当する第２波長域の光の量に対して第３の割合に相当する量の前記第２波長域の光線を前記第３の光感知セルに入射させ、第４の割合に相当する量の前記第２波長域の光線が前記第４の光感知セルに入射させるように構成され、
   前記第３の光感知セルは、受けた光の量に応じた第３の光電変換信号を出力し、
   前記第４の光感知セルは、受けた光の量に応じた第４の光電変換信号を出力し、
   前記信号処理部は、前記第３の割合および前記第４の割合に基づいて、前記第３の光電変換信号と前記第４の光電変換信号との差分演算を含む処理により、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の量に対応する色信号を出力する請求項２から６のいずれかに記載の撮像装置。
8. 前記分光要素を第１の分光要素とするとき、
   前記複数の単位要素の各々は、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素を有し、
   前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第２の色成分に相当する第２波長域の光線の一部を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の残りと、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第３の色成分に相当する第３波長域の光線とを前記第１の光感知セルに入射させ、
   前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の一部を前記第１の光感知セルに入射させ、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの光線を前記第２の光感知セルに入射させ、
   前記第１の分光要素が前記第２の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量は前記第２の分光要素が前記第１の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量に等しい、請求項５に記載の撮像装置。
9. 前記分光要素を第１の分光要素とするとき、
   前記複数の単位要素の各々は、前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素を有し、
   前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第２の色成分に相当する第２波長域の光線の一部を、隣接する第１の隣接単位要素に含まれる第３の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の残りと、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第３の色成分に相当する第３波長域の光線とを前記第１の光感知セルに入射させ、
   前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の一部を前記第１の光感知セルおよび隣接する第２の隣接単位要素に含まれる第４の光感知セルにそれぞれ等量ずつ入射させ、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの光線を前記第２の光感知セルに入射させ、
   前記第１の分光要素が前記第３の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量は、前記第２の分光要素が前記第１の光感知セルおよび前記第４の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量の合計に等しい、請求項５に記載の撮像装置。
10. 前記分光要素を第１の分光要素とするとき、
    前記複数の単位要素の各々は、
    第３の光感知セルと、
    前記第２の光感知セルに対向して配置された第２の分光要素と、
    前記第３の光感知セルに対向して配置された第３の分光要素と、
    前記第１の光感知セルに対向して配置された第４の分光要素と、
    を有し、
    前記第１の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第３の色成分に相当する第３波長域の光線を前記第１の光感知セルに入射させ、
    前記第４の分光要素は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる第２の色成分に相当する第２波長域の光線の一部を前記第３の光感知セルに入射させ、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの前記第２波長域の光線と、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第３波長域の光線とを前記第１の光感知セルに入射させ、
    前記第２の分光要素は、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光線の一部を前記第３の光感知セルに入射させ、前記第２の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの光線を前記第２の光感知セルに入射させ、
    前記第３の分光要素は、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第１波長域の光線の一部を前記第２の光感知セルに入射させ、前記第３の光感知セルのセル入射光に含まれる残りの光線を前記第３の光感知セルに入射させ、
    前記第１の分光要素が前記第２の光感知セルに入射させる前記第１波長域の光の量は、前記第３の分光要素が前記第２の光感知セルに入射させる前記第１波長域の光の量に等しく、
    前記第１の分光要素が前記第３の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量は、前記第２の分光要素が前記第３の光感知セルに入射させる前記第２波長域の光の量に等しく、
    前記第３の光感知セルは、受けた光の量に応じた第３の光電変換信号を出力し、
    前記信号処理部は、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２波長域の光の量に対する前記第３の光感知セルが受ける前記第２波長域の光の量の割合に基づいて、前記第１の光電変換信号と前記第３の光電変換信号との差分演算を含む処理によって、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる前記第２の色成分の光の量に対応する色信号を出力する請求項５に記載の撮像装置。
11. 複数の光感知セルを含む光感知セルアレイと
    複数の分光要素を含む分光要素アレイと、
    を備える固体撮像素子であって、
    前記光感知セルアレイおよび前記分光要素アレイは、複数の単位要素から構成され、
    前記複数の単位要素の各々は、
    第１の光感知セルと、
    第２の光感知セルと、
    前記第１の光感知セルに対向して配置された分光要素と、
    を有し、
    前記分光要素アレイが存在しないと仮定した場合に前記複数の光感知セルの各々に入射する光を各光感知セルのセル入射光とするとき、
    前記分光要素アレイは、前記第１の光感知セルのセル入射光に含まれる可視光の一部の色成分である第１の色成分の光の量に対して第１の割合に相当する量の前記第１の色成分の光を前記第１の光感知セルに入射させ、第２の割合に相当する量の前記第１の色成分の光を前記第２の光感知セルに入射させるように構成され、
    前記第１の光感知セルは、受けた光の量に応じた第１の光電変換信号を出力し、
    前記第２の光感知セルは、受けた光の量に応じた第２の光電変換信号を出力する固体撮像素子。

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